第十三章 B 光的电磁波说 光的偏振

你也许看过立体电影。当你进入影院时，工作人员会发给你一副如图13-13中所示的特别的眼镜。戴着它观看特殊的影像时，发现景像具有很强的立体感。火车像冲过了你的头顶，鲨鱼张开的大口正咬住你的头……当你取下这副眼镜时，这种立体感消失了。立体电影的发明，是基于人们认识到光是一种电磁波，它具有偏振性的基础之上。观看立体电影时戴的眼镜镜片叫做偏振片。

本节我们将学习光的电磁波说，初步了解什么是光的偏振。

一、光的电磁波说

光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波。到19世纪中叶，光的波动说已经得到公认，但是，光是什么性质的波？难道像水波一样？像声波一样？这个问题一直没有解决。那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动。到了19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且从理论上得出，电磁波在真空中的传播速度应为3.11×10⁸m/s，而当时实验测得的光速为3.15×10⁸m/s，两个数值非常接近。麦克斯韦认为这不是一种巧合，它表明光与电磁现象之间有本质的联系。麦克斯韦认为光在本质上是一种电磁波，可见光是频率范围在3.9×10¹⁴～7.5×10¹⁴ Hz之间的电磁波。由此他提出光在本质上是一种电磁波，光和所有电磁波一样，在真空中的速度都为c＝3.00×10⁸m/s。这就是光的电磁波说。

1886～1888年间，赫兹做了一系列实验，证实了电磁波的存在，并且测出了实验中的电磁波的频率和波长，从而计算出了电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同。这样就证明了光的电磁说的正确性。

此外，1800年英国物理学家赫谢耳在研究光谱里各种色光的热作用时发现的红外线，1801年德国物理学家里特发现的紫外线，1895年德国物理学家伦琴发现的X射线，以及无线电波和放射性射线中的γ射线，它们有以下三个共同的特点：

1．它们都有反射、折射、衍射和干涉的特性。

2．在真空中它们的传播速度相同，都等于光速，即3. 00×10⁸m/s。

3．它们都遵从波速与频率的关系，即v＝fλ，对于一定的媒质，v是不变的常量，因而频率越高的波，波长越短。

以上这些研究表明，从无线电波到γ射线，都是本质上相同的电磁波。光是电磁波中的可见部分，可见光的频率范围是3.9×10¹⁴～7.5×10¹⁴Hz。

二、光的偏振

大家知道，机械波有纵波和横波之分，纵波中质点的振动方向总是沿着波的传播方向；横波中质点的振动方向总是垂直于波的传播方向，既然光是由于电磁振动产生的波，那么光是纵波还是横波呢？

探索研究

有一种叫做偏振片的薄片，可以检验光是纵波还是横波。它是由聚乙烯醇加热后沿一定方向拉伸，使聚乙烯醇的空间点阵整齐排列形成“缝栅”，这种“缝栅”的作用是只能让振动方向与“缝栅”平行的横波通过，但不会阻挡纵波的通过。

下面我们用灯光（或太阳光）和偏振片来做实验。

1．灯光从光管P中射出，在其传播路径上放一块偏振片A，结果发现无论怎样转动偏振片，屏上总是有明亮的光斑，表明光没有被阻挡[如图13-14（a）]。

2．在光传播的路径上再放一块偏振片B，当B与A的方向一致时，屏上有光斑，当B转至与A相垂直时，发现屏上光斑消失了[如图13-14（b）]。

以上现象可以用横波的偏振性来解释：

由于太阳、电灯等普通光源发出的光含有垂直于传播方向的平面内各种振动方向的光（横波），如图13-14（c）中Q所示，偏振片A无论转动到什么方向，总有某个方向振动的光可以通过偏振片（不是aaʹ就是bbʹ等），所以屏上总有亮斑。当偏振片B的方向与A相垂直时就将这唯一通过的某一方向振动的光也阻挡住了，屏上就见不到光斑了，通常把第一块偏振片叫做起偏器，第二块偏振片叫做检偏器。

普通光源发出的光，在垂直于光传播方向的平面内包含一切振动方向的光叫做自然光；经起偏器后，在垂直于传播方向的平面内光只沿一个特定的方向振动，这种光叫做偏振光。

光的偏振现象表明光是一种横波。由于光是电磁波的一种，所以电磁波也是横波。

光的偏振现象有许多应用。如拍照时阳光、闪光灯光都会影响戴眼镜人的面相；拍摄橱窗和鱼缸内景物时，也会因明亮的反光而受干扰，如果在照相机镜头上加装偏振滤光片，可以减弱反射光对拍摄的影响。

本节开头提到的立体电影也是利用了光的偏振原理。平时人们用眼睛观看物体时为什么有立体感？这是因为两只眼睛分别观看到两幅略有不同的图像，经大脑综合后才产生前、后、远、近的立体感。在立体电影制作中，利用两个相距约7cm（相当于人眼瞳距）的镜头，同步进行拍摄，制成胶卷。放映时，通过两台放映机同步放映，银幕上同时出现略有差别的两组图像。由于在每架放映机的镜头前都装有偏振片（相当于起偏器），两组图像的光均带有不同方向的偏振，当观众戴上与图像的偏振方向相对应的眼镜片（相当于检偏器）时，每只眼睛只能接收相对应的那架放映机放映的那幅图像，经大脑综合后就会产生立体的感觉。

发布时间：2016/2/26 下午5:13:56  阅读次数：1343